1.3. Электромашинный усилитель с самовозбуждением
Коэффициент усиления по мощности независимого ЭМУ не превышает 100. С целью повышения коэффициента усиления по мощности ЭМУ были созданы электромашинные усилители с самовозбуждением. В 1942 г. фирма Вестингауз начала серийный выпуск этих усилителей под названием рототрол.
Конструктивно ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС) отличается от независимого ЭМУ только тем, что на его полюсах возбуждениясоосно с обмотками управления размещается обмотка самовозбуждения, включаемая параллельно обмотке якоря или последовательно с ней.
На рис. 1.3, а показано конструктивное расположение обмоток управления и самовозбуждения на полюсах статора ЭМУС; на рис. 1.3, б представлена принципиальная схема ЭМУС с параллельным возбуждением, на рис. 1.3, в — с последовательным возбуждением.
Для пояснения принципа действия ЭМУС рассмотрим возбуждение генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. На рис. 1.4, а изображены характеристика холостого хода машины E — f(IBωB), т. е. зависимость э. д. с. от м. д. с. возбуждения и вольтамперные характеристики цепи возбуждения 1 и 2, определяющие падения напряжений в ней.
Обозначим через α1— угол наклона линейного участка характеристики холостого хода, через α2 и α3— угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения.
Угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения α2или α3 зависит от величины сопротивления цепи возбуждения, так как
где α— угол наклона вольтамперной характеристики цепи возбуждения;
U — напряжение, приложенное к цепи возбуждения; / — ток в цепи возбуждения.
Из приведенных на рис. 1.4, а характеристик видно, что в случае α2< α1 возбуждения машины не произойдет, так как согласно характеристикам при одной и той же величине м. д. с, например F1, генератор выработает э. д. с. Ε1, а для создания такой же м. д. с. на обмотке возбуждения необходимо напряжение U1. Гак как U1>E1 то возбуждение машины невозможно. В случае α≤αкр машина возбудится до точки С. Угол наклона начального участка характеристики холостого хода называют критическим углом оскр. Таким образом, условия самовозбуждения можно записать через углы: α≤αкр (1.13)
Вэлектромашинном усилителе обмотку самовозбуждения подбирают так, чтобы при отсутствии сигнала на обмотке управления усилитель не возбуждался, т. е. выбираютα>ακρ (прямая 1 на рис. 1.4, б). Если на обмотку управления подать сигнал, создающий м. д. с. Iyωy=Fy, то вольтамперная характеристика переместится параллельно прямой 1 и займет положение прямой 2. Усилитель возбудится до точки А и на клеммах якоря появится э. д. с. Е. Нетрудно заметить, что э. д. с. Е создается м. д. с. возбуждения
где Fc— м. д. с. обмотки самовозбуждения.
Заменим отрезок характеристики OA рис. 1.4, б прямой линией и рассмотрим треугольники OAB и CAB.
Из треугольника OAB
Из треугольника CAB
E = Fctgα. (1.16)
Решая совместно (1.14) — (1.16), находим значение коэффициента усиления по мощности, выраженного через магнитодвижущие силы:
Из равенства (1.17) видно, что, чем ближе угол наклона вольтамперной характеристики обмотки самовозбуждения к αкр, тем больше коэффициент усиления по мощности усилителя. В критическом случае, когда α=ακρ, коэффициент усиления
kp = ∞.
В случае α<ακρ ЭМУС становится практически неуправляемым, т. е. переходит в релейный режим, из-за произвольного самовозбуждения при отсутствии сигнала на обмотке управления. Вследствие того что магнитопровод усилителя имеет остаточное поле, выбирать α достаточно близким к окр нельзя, так как может произойти самовозбуждение. Поэтому в реальных усилителях выбирают угол наклона вольтамперной характеристики на 3—5% больше критического угла наклона характеристики E=f(F).
При таких параметрах коэффициент усиления ЭМУС по мощности kp достигает величины порядка 400—500.
Для определения динамических свойств электромашинного усилителя с самовозбуждением рассмотрим процесс самовозбуждения машины.
Допустим, что характеристика намагничивания линейна (прямая линия OA рис. 1.4, б), скорость вращения генератора постоянна, вихревые токи малы.
Пусть на обмотку управления подано напряжение Uy (см. рис. 1.3, б).
Тогда для холостого хода ЭМУС можно написать следующие уравнения равновесия э. д. с.
Для обмотки управления
где iy — ток в обмотке управления;
iс — ток в обмотке самовозбуждения; Ry — сопротивление обмотки управления;
Ly—индуктивность обмотки управления;
M — взаимоиндуктивность между обмотками управления и самовозбуждения.
Для цепи самовозбуждения
где ея— э. д. с. якоря;
Rc— сопротивление обмотки самовозбуждения;
L0— индуктивность обмотки самовозбуждения.
Для э. д. с. ЭМУ
(1-20)
где — ток управления, приведенный к числу
витков обмотки самовозбуждения;
ωу, ωc — числа витков обмоток управления и самовозбуждения;
k = ωy/ωc — коэффициент трансформации между обмотками;
RK = —f - = tg αKp — критическое сопротивление контура возбуждения, определяемое из треугольника AOB рис. 1.4,6
(IB=Iy+Iс— полный ток возбуждения, соответствующий м. д. с. возбуждения FB).
Будем считать, что между обеими обмотками возбуждения существует полное магнитное сцепление, т. е.
(1.21)
тогда можно записать
(1.22)
Запишем уравнения равновесия э. д. с. (1.18) и (1.19) в операторной форме.
В результате преобразования уравнения э. д. с. можно записать в виде
(1.23)
(1.24)
Умножим равенство (1.23) на kTp (Rc+Ra), а (1.24) — на Ry, с учетом (1.20) получим уравнение напряжения генератора
(1.25)
Здесь — коэффициент, учитывающий, насколько
близко сопротивление цепи самовозбуждения к критическому
- постоянная времени цепи самовозбуждения;
— постоянная времени обмотки управления.
Используя (1.22), имеем
(1.26)
Если учесть, что в начальный момент времени (t=0) э. д. с. якоря также равна нулю, решение уравнения (1.26) примет вид
(1.27)
Из уравнения (1.27) видно, что если к обмотке управления ЭМУС приложить напряжение управления Uy, то процесс нарастания э. д. с. усилителя идет по экспоненциальному закону (рис. 1.5) с эквивалентной постоянной времени
(1.28)
Установившееся значение э. д. с. усилителя будет
(1.29)
Из выражения (1.29) можно найти коэффициент усиления по напряжению усилителя
(1.30)
Выражения (1.28) и (1.30) показывают, что коэффициент усиления по напряжению ka и его
эквивалентная постоянная времениT пропорциональны
Так как в усилителях ε> 1 на 3—5%, то эквивалентная постоянная времени T значительно превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления. Например, если
ε =1,03, то эквивалентная постоянная времени в 3—4 раза превышает сумму постоянных времени обмоток самовозбуждения и управления. Поэтому электромашинные усилители с самовозбуждением используются в тех случаях, когда не требуется большое быстродействие.
Уравнение (1.26) с учетом (1.28)—(1.30) можно записать в виде
(1.31)
Отсюда видно, что ЭМУС представляет собой апериодическое Вйеио с передаточной функцией
(1.32)
Τаκие усилители применяются главным образом для питания обмотки возбуждения генератора в системе генератор—двигатель и в этом случае длительность переходного процесса определяется постоянной времени генератора.
1.4. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ
В отличие от независимого ЭМУ и ЭМУ с самовозбуждением (ЭМУС), в которых основным потоком возбуждения является продольный магнитный поток, направленный вдоль полюсов возбуждения, в ЭМУ поперечного поля основным потоком возбуждения является поперечный поток реакции якоря.
На рис. 1.6, а представлена схема ЭМУ поперечного поля.Конструктивно он выполнен подобно генератору постоянного тока, но имеет дополнительный комплект щеток, установленных на по перечной оси машины и замкнутых накоротко. На статоре ЭМУ расположен ряд обмоток. В продольной оси полюсов dd расположены обмотки управления У, которых обычно бывает несколько (чаще две или четыре). Соосно с ними расположена компенсационная обмотка К, включаемая в продольную цепь последовательно с обмоткой якоря. Компенсационная обмотка К шунтирована регулирующим сопротивлением Rш для регулирования степени компенсации усилителя.
В этой же цепи для улучшения коммутации включена обмотка дополнительных полюсов Д.
Поперечная цепь машины qq замкнута накоротко. Иногда для улучшения коммутации в поперечной цепи последовательно с якорем включают поперечную обмотку, подмагничивания П.
Рассмотрим принцип действия ЭМУ поперечного поля. Пусть скорость приводного двигателя равна номинальной ω=ωΗ= const и к одной из обмоток управления приложено напряжение постоянного тока U1. Тогда под действием небольшого по величине магнитного потока возбуждения Ф1(небольшого потому, что при высоком коэффициенте усиления на вход усилителя подается относительно малая мощность) в поперечной цепи якоря qq возникает э. д. с. E2, также относительно малая по величине. Так как цепь поперечных щеток qq замкнута накоротко проводником, имеющим малое сопротивление, то в поперечной цепи якоря возникает ток I2. Величина этого тока уже значительна, так как цепь имеет малое сопротивление.
На рис. 1.6, б показано направление тока I2 по проводникам якоря, создающего поперечный поток реакции якоря Фq. Под действием этого потока в продольной цепи якоря dd возникает э.д.с. Е3, которая снимается продольными щетками. Э. д. с. Е3 вызывает появление тока I3 и в нагрузке Rнагр происходит падение напряжения U3. На рис. 1.6, в показано направление тока I3 в цепи якоря. Под действием тока I3 в якоре возникает продольный поток реакции якоря Фd, который направлен навстречу потоку управления Ф1. Если не принять никаких мер, то большой по величине поток Фd размагнитит усилитель и никакого усиления не произойдет. Для компенсации (уравновешивания) продольного потока реакции якоря на статоре расположена специальная компенсационная обмотка К.
Продольный поток реакции якоря Фа пропорционален магнитодвижущей силе
Fd = I3ωя, (1.33)
где I3—ток в продольной цепи якоря;
ωя—число витков в параллельной ветви обмотки якоря.
Из (1.33) видно, что продольная м. д. с. Fd, и, следовательно, пропорциональный ей магнитный поток Фа изменяются с изменением тока I3, т. е. зависят от величины сопротивления нагрузки Rнагр. Хорошее компенсирующее действие обмотки К получают и том случае, если м. д. с. этой обмотки FH также зависит от величины тока I3 в продольной цепи машины. Поэтому обмотку К включают в продольную цепь машины последовательно с якорем. Тогда м. д. с. компенсационной обмотки
Fк = I3ωк, (1.34)
где ωк — число витков компенсационной обмотки.
Степень компенсации усилителя характеризуется коэффициентом компенсации
к= Fk/Fd (1.35)
Различают три возможных случая работы усилителя:
когда k=l, Fk=Fd — машина скомпенсирована, т. е. м. д.с. продольной реакции якоря равна м. д. с. компенсационной обмотки;
когда k<1, Fk<Fd—машина недокомпенсирована, т. е. М. Д. с. продольной реакции якоря больше м. д. с. компенсационной обмотки;
когда k>1, Fk>Fd— машина перекомпенсирована, т. е. М. д. с. продольной реакции якоря меньше м. д. с. компенсационной обмотки.
Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией: м. д. с. компенсационной обмотки примерно на 5% больше м, д. с. продольной реакции якоря, т. е. к=1,05.
Для регулирования степени компенсации, как уже отмечалось, используют шунтирующее сопротивление Rш. С учетом Rш м. д. с. компенсационной обмотки
(1.36)
Для улучшения коммутации в продольной цепи располагают специальную сосредоточенную обмотку на дополнительных полюсах статора. Поскольку такую же обмотку нельзя разместить на поперечной оси, то для улучшения коммутации снижают величину токаI2, а чтобы при этом м. д. с. поперечной оси Fq , а следовательно, и магнитный поток Фq не были снижены, применяют специальную поперечную обмотку подмагничивания Π (рис. 1.6, а). Эта обмотка создает м. д. с. и поток Фп, направленный согласно с потоком поперечной реакции якоря Фq.
Таким образом, при включении поперечной обмотки подмагничивания Π магнитный поток поперечной оси
Φ`q = Фq+Фп.
Все рассмотренные обмотки находятся в пазах статора. На рис. 1.7 показаны листы статора и якоря и схема расположения обмоток двухполюсного ЭМУ поперечного поля. Обмотки управления 1 находятся в больших пазах, расположенных по поперечной осимашины. Эти обмотки выполнены сосредоточенными в виде четырех катушек.
Часть большого поперечного паза и малые пазы занимает распределенная компенсационная обмотка 2. Такое расположение компенсационной обмотки создаёт хорошие условия компенсации, так как обмотка якоря 3, поток которой уравнивает компенсационная обмотка, выполнена также распределенной. В этом случае компенсация потока продольной реакции якоря производится не только по амплитуде, но и по форме. В средних пазах, расположенных ни продольной оси машины, находятся сосредоточенная обмотка дополнительных полюсов 4 и поперечная обмотка подмагничивания 5. Нa спинке большого паза расположена обмотка размагничивания 6. Так как ЭМУ поперечного поля обладают достаточно большим остаточным напряжением за счет гистерезиса, то в ряде схем, особенно, когда усилитель используется в замкнутых системах автоматического регулирования, могут возникнуть автоколебания из-за наличия ложного сигнала, обусловленного остаточным напряжением. Для устранения этого явления в схемах обычно применяют размагничивание переменным током — этой цели и служит обмотка размагничивания 6. Такая конструкция статора и якоря является наиболее распространенной для ЭМУ мощностью до 20кВт. Электромашинные усилители приводятся во вращение приводными двигателями постоянного и переменного тока. При этом ЭМУ мощностью до 3 кВт выполняют в одном корпусе. На рис, 1.8, а показан внешний вид электромашинного усилителя поперечного поля типа У ДМ-150 с исполнительным двигателем постоянного тока, выполненного в одном корпусе.
На рис. 1.8, б представлены детали этого усилителя.
Важнейшей статической характеристикой ЭМУ поперечного поля является коэффициент усиления по мощности. Высокий коэффициент усиления по мощности получается за счет того, что ЭМУ Поперечного поля является двухступенчатым усилителем. Первая ступень усиления: обмотка управления — короткозамкнутая цепь поперечных щеток. Вторая ступень: короткозамкнутая цепь поперечных щеток — выходная цепь продольных щеток. Поэтому общий Коэффициент усиления по мощности
kp = kp1kp2 (1.37)
где kp1—коэффициент усиления 1-й ступени;
kp2— коэффициент усиления 2-й ступени;
Причем
(1.38)
Подставляя значениякоэффициентов усиления по мощности в выражение (1.37), получим
(1.39)
R1- сопротивление обмотки управления.
Коэффициенты усиления по мощности каждой ступени машины аналогично уравнению (1..3) могут быть записаны через основные параметры машины и нагрузки.
Для первой ступени
для второи ступени
с1,с2—постоянные конструктивные коэффициенты;
Λq, Λd — соответственно магнитные проводимости по поперечной и продольной осям машины;
R2, R3 — соответственно активные сопротивления поперечной и продольной цепей ЭМУ.
Тогда общий коэффициент усиления по мощности ЭМУ
(1.40)
где T1 = L1/R 1 - постоянная времени обмотки управления;
T2 = L2/R2 постоянная времени поперечной цепи.
(Следовательно, общий коэффициент усиления по мощности ЭМУ поперечного поля пропорционален четвертой степени скорости вращения якоря, магнитным проводимостям по поперечной и продольной осям и зависит от соотношения сопротивлений обмоток машины и нагрузки.
Отсюда следует, что усилитель будет иметь тем больший коэффициент усиления по мощности, чем меньше будет насыщена его магнитная цепь и чем выше будет скорость его вращения. Чрезмерно увеличивать скорость вращения нельзя, так как начинает сильно возрастать действие коммутационных токов. Поэтому при чрезмерном увеличении скорости за счет повышения коммутационных токов коэффициент усиления по мощности расти не будет, а может даже снижаться.
Основными характеристиками электромашинного усилителя перечного поля являются внешние характеристики, т. е. зависимости:
I2 = f1 (I3); (1.4I)
U3 = f2 (I3). (1.42)
Эти характеристики построены при условии постоянной скорости вращения приводного двигателя ω=const и номинальном сигнале на обмотке управления
U1 =U1H = const.
Кроме этого, м. д. с, действующей по продольной оси от сдвига щеток, пренебрегаем.
На рис. 1.9, а представлена зависимость тока в поперечной цепи I2 от тока в продольной цепи I3, т. е. от выходного тока, про текающего через нагрузку. Характеристики построены для всехтрех случаев компенсации: полной компенсации (k=1), перекомпенсации (k>1) и недокомпенсации (k<1).
При полной компенсации (k=l) с учетом уже отмеченных допущений по продольной оси машины действует только м. д. с. обмотки управления. Следовательно, снимаемая поперечными щетками (см. рис. 1.6, а) э. д. с. E2=const, а значит, и ток I2 при изменении сопротивления нагрузки Rнarp во всем диапазоне остаются неизменными.
Рис. 1.9. Внешние характеристики ЭМУ поперечного поля
При перекомпенсации (k>l) по продольной оси, кроме м. д. с, ; создаваемой обмоткой управления, действует еще часть м. д. с. компенсационной обмотки, которая направлена согласно с м. д. с. обмотки управления, поэтому величина тока I2 с ростом тока нагрузки I3 растет.
При недокомпенсации (k<1) по продольной оси действует часть м. д. с. продольной реакции якоря, нескомпенсированной м. д. с. Компенсационной обмотки, и поэтому ток I2 с ростом тока нагрузки I3 падает.
Пользуясь этими зависимостями, усилитель можно легко настроить на неюбходимую степень компенсации. Если установитьдвижок шунтирующего сопротивления Rш (см. рис. 1.6, а) в такое положение, при котором с изменением нагрузки ток в поперечной цепи I2 не изменяется, это означает, что усилитель скомпенсирован (к=1). На рис. 1.9, б представлены внешние характеристики, построенные по уравнению (1.42).
Здесь с учетом тех же допущений показана зависимость напряжения на нагрузке U3 от тока нагрузки I3. Также как и в предыдущем случае, характеристики даны для трех случаев компенсации.
При полной компенсации напряжение на нагрузке при токе I3
U3=E3 - I3R3, (1.43)
Где Е3— э. д. с. при I3=0, т. е. э. д. с. холостого хода;
R3 — внутреннее сопротивление ЭМУ по продольной оси.
В этом случае напряжение на усилителе при полной компенсации (к=1)с ростом тока I3 падает и отличается от э. д. с. E3 на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении ЭМУ.
При перекомпенсации (к> 1) напряжение на нагрузке может быть неизменным с ростом тока нагрузки I3 или даже возрастать.
При недокомпенсации (к<1) напряжение на нагрузке с ростом тока I3 падает.
При использовании электромашинных усилителей в замкнутых системах автоматического регулирования (стабилизаторы, регуляторы, следящие системы) машина должна быть несколько недокомпенсирована (к=0,97÷0,99), так как в случае перекомпенсации в системе во время работы возникнет ложное возмущение за счет остатка м. д. с. компенсационной обмотки, которое приведет к возникновению автоколебаний системы.
1.5. Динамические характеристики электромашинного усилителя поперечного поля
Динамические свойства ЭМУ поперечного поля оценивают по характеру протекания переходного процесса, т.е. по нарастанию напряжения в продольной цепи U3 во времени
U3=f(t)
при подаче на вход (обмотку управления) напряжения управления.
Быстродействие ЭМУ в общем случае определяется постоянными времени:
1) обмотки управления
Т1=L1/R1
где L1— индуктивность обмотки управления;
R1—активное сопротивление обмотки управления;
2) поперечной цепи
T2=L2/R2
где L2— индуктивность обмотки якоря;
R2— активное сопротивление якоря;
3) продольной цепи, которую необходимо учитывать при работе на нагрузку,
Однако, если учесть, что в реальных случаяхRнагр≥R3 ,то Т3 значительно меньше первых двух и ею можно пренебречь. Кроме того, на ход переходного процесса влияет взаимодействие обмотки управления и поперечной цепи, обусловленное реакцией коммутационных токов поперечной цепи. Перемещение щеток по направлению вращения или против него также вызывает взаимосвязь обмотки управления с поперечной цепью и изменение характера переходного процесса. На быстродействии усилителя сказывается взаимосвязь обмоток, расположенных на статоре, с обмоткой якоря и между собой, т. е. взаимоиндуктивность обмоток управления с компенсационной обмоткой, обмоткой дополнительных полюсов, поперечной подмагничивающей обмоткой, компенсационной обмотки с витками поперечной цепи якоря и т. д.
Решение уравнений переходного процесса с учетом всех взаимосвязей достаточно громоздко, а их влияние на переходный процесс во многих случаях относительно невелико.
Рассмотрим процесс нарастания э. д. с. в выходной цепи е3 в функции времени с учетом главных связей в ЭМУ [30]. Допустим что:
магнитная система ЭМУ по поперечной и продольной осям насыщена;
влияние обмотки дополнительных полюсов и поперечной подмагничивающей обмотки на цепи управления и короткозамкнутого контура мало.
Нарастание выходной э. д. с. е3 во времени, когда щетки расположены на нейтрали, можно найти из четырех уравнений равновесия э. д. с.
Для обмотки управления
(1.41)
где М1к— взаимоиндуктивность между обмоткой управления и компенсационной обмоткой;
iк— ток компенсационной обмотки.
2) Для компенсационного контура
(1.45)
где Rк, Lk— соответственно активное сопротивление и индуктивность компенсационного контура;
Mki— взаимоиндуктивность между компенсационной обмоткой и обмоткой управления.
3) Для поперечной цепи
(1.46)
где R2, L2 — соответственно активное сопротивление поперечной цепи и индуктивность обмотки якоря;
i2— ток в поперечной цепи;
a1 и ак— коэффициенты пропорциональности.
4) Для продольной цепи
е3 = a2ί2, (1.47)
где е3— э. д. с в продольной цепи; а2— коэффициент пропорциональности.
На рис. 1.10 представлена схема электромагнитных связей в ЭМУ во время переходного процесса для рассматриваемого случая.
Если принять взаимоиндуктивность между обмоткой управления и компенсационной равной единице, то уравнения (1.44) — (1.47) можно свести к операторному уравнению второго порядка:
где ku - коэффициент усиления по напряжению;
Тк - постоянная времени компенсационного контура.
Решение уравнения (1.48) показывает изменение выходной э. д. с. е3 во времени при ступенчатом приложении сигнала на вход усилителя
Рис. 1.10. Схема электромагнитных (1.49)
связей в ЭМУ
Уравнение (1.49) можно несколько упростить. Если машина полностью скомпенсирована, то действием компенсационной обмотки на продольную цепь можно пренебречь (Тк==0). Тогда э. д. с. в функции времени
(1.50)
Для ориентировочных расчетов можно пользоваться упрощен», ным уравнением переходного процесса. Так как в усилителе Т2>Т1+ТК , то с учетом этого упрощенное уравнение переходного процесса будет
(1.51)
Из выражения (1.50) и (1.51) видно, что в первом случае ЭМУ представляет собой два последовательных апериодических звена, а во втором — одно.
На рис. 1.11 представлены динамические характеристики ЭМУ поперечного поля [30].
Кривая 1 построена по уравнению (1.50), а кривая 2 по уравнению (1.51), для сравнения приведена экспериментальная кривая 3. Отличие расчетных кривых от экспериментальной объясняется тем, что в начале процесса сказывается влияние нелинейного сопротивления поперечной цепи, обусловленного наличием переходного контакта щетка — коллектор, а в конце более быстрое нарастание переходного процесса, обусловленное наличием взаимоиндуктивности между поперечной и продольной цепями.
Передаточную функцию ЭМУ поперечного поля находят на основании уравнения (1.48):